滾筒式殘膜回收機的性能試驗研究

劉旋峰，石 鑫，郭兆峰，王春耀，王學農※（. 新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 83009；. 新疆大學機械工程學院，烏魯木齊 830008）

滾筒式殘膜回收機的性能試驗研究

劉旋峰1，石 鑫1，郭兆峰1，王春耀2，王學農1※
（1. 新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆大學機械工程學院，烏魯木齊 830008）

針對“11SM-1.5型滾筒式殘膜回收機”核心工作參數匹配不合理，機具在作業(yè)時，常常由于使用者操作方式與水平存在差異，影響殘膜回收的總體拾膜性能，進而降低殘膜拾凈率。滾筒式殘膜回收機是一種以弧線往復式挑膜裝置為核心部件的典型殘膜回收機具，該研究根據滾筒式殘膜回收機的結構和工作原理，分析弧線往復式挑膜裝置的挑膜齒尖運動軌跡特點，確定影響機具性能的主要因子為挑膜裝置轉速、機具前進速度和挑膜齒入土深度，采用正交試驗分析法進行田間試驗，分析不同參數配比對殘膜拾凈率的影響，得出各因素的影響顯著性及主次順序。綜合考慮挑膜裝置各項指標，選擇最優(yōu)的水平組合，獲取機具的最佳工作參數匹配，即：挑膜裝置轉速45 r/min、機具工作速度4 km/h和挑膜齒入土深度35 mm時，殘膜拾凈率為88.2%，達到殘膜回收機設計標準，比目前成熟的秸稈還田聯(lián)合式殘膜回收機的官方測定撿拾率高6.2個百分點，為機具優(yōu)化設計提供數據參考，進而指導實際生產。

農業(yè)機械；塑料薄膜；試驗；殘膜回收；挑膜裝置；殘膜拾凈率

0 引 言

地膜覆蓋技術是促使農業(yè)增效、農民增收的重要手段[1-3]。在地膜技術廣泛推廣過程中，逐漸顯現了地膜好用難于回收的窘境，耕地污染日趨嚴重，殘膜回收的問題一直受到廣泛關注[4-6]，迫切需要一種高效可靠的殘膜回收機械，來解決耕地污染日趨嚴重的問題[7]。

在歐洲、北美等國家，為防治殘膜污染，一般使用強度高、耐風化的地膜，美國有一種農田地膜回收機，其結構簡單實用，其原理是通過卷膜滾筒的旋轉，將地表覆蓋的地膜卷起，該種地膜回收機的主要是機具工作速度和卷膜滾筒旋轉速度相互間的參數匹配[8]；以色列的地膜回收機與美國的回收原理類似，其卷膜滾筒采用液壓馬達驅動[9-10]；俄羅斯、英國的地膜回收機的工作原理采用纏繞地膜的原理，地膜通過起膜鏟從地表鏟起，經過卷膜滾筒纏繞成捆[11]。可以看出國外采用地膜必須保證地膜的抗拉強度和耐老化性能，才能有利于應用纏繞式回收原理進行地膜回收，采用這種回收原理的機具構造簡單，制造成本低，也便于收集的廢舊地膜回收再利用。同時，國外已經開始開發(fā)和研制形形色色的新型地膜，例如利用陽光照射而降解的地膜、利用微生物功能而降解的地膜等等[12-13]。

中國主要使用厚度為0.006～0.008 mm的地膜，地膜薄，抗拉強度低。目前，中國的殘膜處理方式有人工回收、可降解膜的使用、機械回收3種方式。人工回收占用大量勞動力、效率低，正逐步淘汰；可降解地膜技術尚未成熟，現仍處于研發(fā)階段，生產成本高，難以大面積推廣；機械回收是目前最有效的地膜回收途徑，根據農藝與作業(yè)時間可分為苗期地膜回收、耕前地膜回收、耕后地膜回收，目前廣泛使用的是耕前殘膜回收機械?；趪鴥鹊啬や佋O標準，中國地膜回收機設計工作原理基本相近，都是先將表面的地膜通過松土裝置抬起、再由收膜裝置收起地膜，然后由脫（卸）膜裝置將收起的殘膜脫（卸）下后，拋入集膜裝置，其中“收”、“脫”和“集”是影響地膜回收效果的主要環(huán)節(jié)[14-15]。11SM-1.5型滾筒式殘膜回收機是其中一種典型殘膜回收機械，主要以弧線往復式挑膜裝置為核心部件，但是由于使用者操作方式與水平存在差異，以及工作參數匹配方面不合理，使得弧線往復式挑膜裝置由于受力不均勻，造成旋轉受阻，進而影響機具的總體拾膜性能，降低殘膜拾凈率。

殘膜拾凈率是滾筒式殘膜回收機總體性能的重要指標。從弧線往復式挑膜裝置挑膜過程來說，收膜效果的優(yōu)劣、殘膜拾凈率的高低與諸多因素有關，經過多年的研究表明，在挑膜齒的形狀、材料和數目一定的情況下，挑膜齒的運動速度、機具前進速度和齒尖入土位置3個參數是影響機具殘膜拾凈率的關鍵因素[16]。通過確立試驗設計方案，進行地膜撿拾性能實地測試，分析3個參數間的配比關系對于滾筒式殘膜回收機殘膜拾凈率的影響，確定機具的最佳工作參數，為滾筒式殘膜回收機的優(yōu)化設計提供數據參考，提高殘膜拾凈率。進而指導實際生產，提高滾筒式殘膜回收機的作業(yè)效率，減輕白色污染，保護農田生態(tài)環(huán)境。

1 整機結構與工作原理

1.1 滾筒式殘膜回收機

“11SM-1.5型滾筒式殘膜回收機”（簡稱“滾筒式殘膜回收機”）由主牽引架、弧線往復式挑膜裝置、主傳動系統(tǒng)、松土齒耙、行走舉升系統(tǒng)、送膜輪裝置等部件構成（如圖1）。滾筒式殘膜回收機是2015年新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所研制的新型機具，主要適用于棉秸稈已被回收，無滴灌帶及其相關管路的棉田。

圖1 11SM-1.5型滾筒式殘膜回收機組成結構簡圖Fig.1 Structure diagram of 11SM-1.5 roller type residual film recycling machine

作業(yè)時，滾筒式殘膜回收機與拖拉機動力輸出軸通過傳動軸聯(lián)結，行走舉升系統(tǒng)通過液壓控制將機具調整至工作位置，啟動動力輸出軸，動力傳至弧線往復式挑膜裝置以及后續(xù)工作部件，拖拉機牽引機具開始行進，松土齒耙在此過程中疏松膜面以下的土壤，減小挑膜齒入土的阻力，挑膜裝置向上挑起地表殘膜并帶動到送膜輪裝置入口，送膜輪將殘膜刮下并拋至殘膜收集箱，完成整個收膜過程[17-19]。

1.2 弧線往復式挑膜裝置

弧線往復式挑膜裝置主要依靠凸輪機構帶動挑膜齒組在預定的弧線軌跡上完成往復運動，即在挑膜齒伸出時挑起殘膜，挑膜齒縮入內腔時卸下殘膜。該裝置是耕前殘膜回收的一種典型的裝置[20-23]。

如圖2a，在機具靜止狀態(tài)下，或者弧線往復式挑膜裝置相對于機架繞其中心順時針方向（圖示方向）旋轉，在凸輪盤滑道的作用下，挑膜齒在旋轉至裝置上方時縮入內部，在旋轉至裝置下方時完全伸出?；【€往復式挑膜裝置相對于機架旋轉一周時，挑膜齒尖的運動軌跡。

當在地表殘膜面以下深度h時，每一根齒在土層下劃過的距離為L0，h越深，L0越大，與此同時，裝置轉速越低，挑膜齒在膜面以下所運動的時間越久、軌跡也越長，從而地表的殘膜越容易被收起，起膜概率越高[24-26]。

圖2 挑膜齒齒尖運動軌跡Fig.2 Trajectory of pick membrane tooth

運用SolidWorks Motion對單組挑膜齒組進行運動仿真，仿真得出挑膜齒齒尖絕對運動軌跡[21]，如圖2b所示，通過設定挑膜裝置的前進速度v和自轉轉速ω，得出挑膜齒齒尖的絕對運動軌跡。可以看出，該組挑膜齒齒尖的軌跡為余擺線，若采用圖2a所示6組均布挑膜齒桿組時，擺線的重合更為密集，從而可以使得地膜在被挑起的過程中不容易脫落。說明挑膜裝置的轉速、機具工作速度和挑膜齒入土深度是影響機具殘膜拾凈率的主要因素。

2 田間試驗

2.1 試驗條件

2016年5月，選取新疆尉犁縣棉花地進行田間試驗，棉田秸稈已被全部收割，地塊內只存在地表殘留的地膜、少數的秸稈和未起拔的根茬，滴灌帶及管件已全部抽出。地塊面積3.2 hm2，試驗地平坦，地表鋪設符合國家標準的寬度為1.45 m的農用地膜。

試驗選用“11SM-1.5型滾筒式殘膜回收機”，根據機具使用要求，避免了在收膜的過程中，存在大量棉花秸稈及其枝葉等帶來的外部干擾。測得平均土壤含水率8.9%；單位面積膜平均質量為9.24 g/m2。配套動力采用常發(fā)CF420型拖拉機，標定功率30.9 kW，有8個前進檔位，2個倒退檔位，其后動力輸出軸轉速為540或720 r/min，試驗選取540 r/min。

考慮到駕駛人員的熟練程度對機具的拾膜效果也有一定影響，在正式試驗前，試驗人員對駕駛人員進行了培訓，駕駛人員能夠熟練掌握機具的操作。

2.2 試驗方法

依據《GB/T25412-2010殘地膜回收機》、《NYT 1227-2006殘地膜回收機作業(yè)質量》，設計試驗[27-29]。

2.2.1 殘膜拾凈測量

機具的測試行程設為300 m，共測量4個行程。在每個行程測量區(qū)間內沿長度方向上的兩車轍之間，隨機抽取1個測點，測點面積為1 m×1 m見方，量取測點范圍內當年地表殘膜殘余量（簡稱地表殘量），人工將測區(qū)內未被收起的殘膜進行收集裝袋，并用凈水清洗干凈，去除灰塵、莖葉等雜質，晾干后稱其質量，計算單個行程中單位面積殘膜拾凈率，及4個行程單位面積平均殘膜拾凈率，按式（1）和式（2）計算。

式中FGi為第i行程殘膜拾凈率，%，i=1,2,…,4; MGz為第i行程中單位面積殘膜的平均質量，9.24 g/m2，i表示行數，MGi為第i行程中單位面積殘膜殘余的質量，g，i=1,2,…,4;FGi為平均殘膜拾凈率，%；

2.2.2 正交試驗的試驗因素及控制方法

1）試驗因素及調整方法

確定本次試驗的主要因素：挑膜裝置轉速A、機具工作速度B和挑膜齒入土深度C。

（1）挑膜裝置轉速A

回收機挑膜裝置挑膜齒齒尖的軌跡為余擺線，因此在作業(yè)時，挑膜齒齒尖的線速度與回收機的工作速度之間的比值要滿足一定的關系。

將線速度和速度的比值設為λ，通過前期試驗，發(fā)現當λ值控制在1.1～1.2區(qū)間范圍之內時，可以取得較好的拾膜效果，即挑膜裝置挑膜齒齒尖接觸地面時的水平線速度要略微大于回收機前進速度，可以將地表的殘膜挑起而不至于脫落。

行駛速度依據配套拖拉機的2檔、3檔分別計算，工作速度可通過手動油門控制，當加載至油門最大值，最大工作速度vmax1、vmax3分別為4.31 km/h（1.192 m/s）和6.63 km/h（1.836 m/s）。依據線速度與直徑的計算關系，挑膜裝置轉速，如式（3）：

式中vj為拖拉機前進速度，m/s；然后將工作速度經過單位轉換后代入式（5），分別計算可得：ng2擋=45 r/min，ng3擋=67 r/min，

因此，將挑膜裝置轉速的水平范圍確定為40～70 r/min，采用更換鏈輪組合來調整, 選擇45、55和65 r/min作為3個水平。

（2）機具工作速度B

根據配套拖拉機的行駛速度，低速Ⅳ檔、中速Ⅱ檔、中速Ⅲ檔3個檔位的速度在柴油機轉速為2 300 r/min時，理論速度分別為4.273、5.133、6.28 km/h，而拖拉機動力輸出軸的額定轉速指的是柴油機的轉速2 000轉的動力輸出轉速，發(fā)動機的轉速越高，動力輸出軸的轉速隨之越高。因此，為了保證前進速度與額定輸出轉速匹配，等間隔取3個水平分別為4、5、6 km/h。

速度的控制方法：駕駛人員通過轉換拖拉機檔位和控制手動油門大小調整拖拉機柴油機轉速來控制動力輸出軸轉速和機具工作速度。

（3）挑膜齒入土深度C

由之前的分析可知，挑膜齒入土深度，也對地表的殘膜的收集有影響，同時，入土越深也影響挑膜齒自身的使用壽命，因此，C不能過大，按照等間隔取3個水平分別為30、35、40 mm。

2）正交試驗

采用三因素三水平試驗，試驗采用正交表L9（34），因素水平編碼表和試驗設計及結果見表1。由于拖拉機后輸出軸的轉速和發(fā)動機的轉速是同步的，即油門越大，相同檔位下的拖拉機前進速度越快，拖拉機后輸出軸的轉速越高，因此，表1中轉速A和機具工作速度B需要通過調節(jié)傳動系統(tǒng)進行匹配，如變換鏈輪傳動比、皮帶輪傳動比，來調節(jié)挑膜裝置轉速來匹配不同的拖拉機前進速度[30-32]。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factor levels coding table

3 結果與分析

正交試驗表與結果分析見表2、表3，從表2試驗結果可知，各因素水平下的殘膜拾凈率為79.3%～93.3%；極差分析表明，影響殘膜拾凈率的主次順序為挑膜裝置轉速A、機具工作速度B和挑膜齒入土深度C，其中挑膜裝置轉速A中最大k值為89.83，機具工作速度B中最大k值為88.73，挑膜齒入土深度C中最大k值為87.97，因此，分析各因素得最優(yōu)水平組合為A1B1C2，該組合在正交試驗表中無對應試驗項。將A1B1C2組合再次進行對比試驗，得到最優(yōu)組合A1B1C2下的殘膜拾凈率為88.2%。比目前成熟的秸稈還田聯(lián)合式殘膜回收機的官方測定撿拾率高6.2個百分點。

表2 正交試驗表與結果Table 2 Orthogonal test table and result

表3 殘膜拾凈率方差分析表Table 3 Variance analysis on rate of residual recovery

如圖3，分析各試驗因素對殘膜拾凈率變化趨勢的影響發(fā)現：挑膜裝置轉速從45 r/min增至65 r/min時，殘膜拾凈率起初下降趨勢不明顯；挑膜裝置轉速達到55 r/min時，開始明顯下降；工作速度從4 km/h增至6 km/h時，殘膜拾凈率呈逐漸下降趨勢明顯，說明速度越快殘膜拾凈率越低。入土深度在30 mm增至40 mm時，殘膜拾凈率起初呈上升趨勢，入土深度達到35 mm時，殘膜拾凈率接近最大值，此后開始大幅度下降。

圖3 殘膜拾凈率變化趨勢Fig.3 Change trend of rate of residual recovery

通過方差分析，由表3可以看出，挑膜裝置轉速對殘膜拾凈率得影響高度顯著（p＜0.01）。

經過以上分析，在實際生產要求的基礎之下，為了使機具達到較高殘膜拾凈率的，選取最佳的組合為A1B1C2。

4 討 論

滾筒式殘膜回收機性能的優(yōu)劣主要體現在機具在殘膜回收時殘膜拾凈率上。通過長期的生產實踐和經驗發(fā)現，較高的轉速則會消耗較高的能耗，高轉速是機具振動的誘因，振動則是影響旋轉部件的使用壽命乃至整機壽命的致命因素，而入土深度C越深，則易造成入土部件（松土齒耙、挑膜齒）與地表土層之間的阻力過大，從而入土部件的磨損程度，能耗同時也逐漸提高。因此所選取最佳的組合A1B1C2，適應了實際生產。

相較目前的已經比較成熟的秸稈還田聯(lián)合式殘膜回收機，其官方測定撿拾率為82%，而在實際適使用中由于土質差異（如：沙性土壤、黏性土壤）、棉田內的物料（如：棉秸稈、根茬等）不同、駕駛人員的操作經驗等因素，造成殘膜拾凈率往往低于官方測定值。通過本研究發(fā)現，在一定的土質條件下，按照選取的最佳組合進行試驗，殘膜拾凈率可達到88.2%，高于秸稈還田聯(lián)合式殘膜回收機。

但是，本試驗只針對了一種土質做了挑膜裝置轉速、工作速度、入土深度的參數配比試驗，具有一定的局限性。今后在此試驗的基礎上，可以對不同硬度、不同濕度、不同土質進行進一步試驗研究。

5 結 論

1）以殘膜拾凈率為試驗指標，以挑膜裝置轉速、機具工作速度和挑膜齒入土深度為試驗因素，對滾筒式殘膜回收機進行正交試驗，結果表明：影響殘膜拾凈率的主次順序為挑膜裝置轉速、機具工作速度和挑膜齒入土深度，挑膜裝置轉速對殘膜拾凈率得影響高度顯著。

2）得到機具的最佳工作參數，挑膜裝置轉速控制在45 r/min、機具工作速度控制在4 km/h和挑膜齒的入土深度控制在35 mm，此時機具殘膜拾凈率為88.2%，比目前成熟的秸稈還田聯(lián)合式殘膜回收機的官方測定撿拾率高6.2個百分點，達到指導實際生產，提高殘膜回收機的作業(yè)效率的目的。

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Performance test on roller type residual film recycling machine

Liu Xuanfeng1, Shi Xin1, Guo Zhaofeng1, Wang Chunyao2, Wang Xuenong1※
(1. Research Institute of Agricultural Mechanization, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China; 2. College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830008, China)

Plastic mulch technology is an important mean to promote agricultural production efficiency and increase income of farmers. As increase of using mulch plastic film in agriculture production, recover and recycling of the film become an issue. So there is an urgent need for an efficient and reliable technique of mechanical recovery of residual film to solve the problem of increasingly serious pollution of arable land caused by the debris of mulch film. 1LSM-1.5 roller type residual film recycling machine is a typical waste plastic mulch film recycling machine, with arc reciprocating film picking drum as core device. This device has a problem of improper matching of working parameters.When the machine operated, because of the uneven of user's operation level, and the improper structure design of the machine, the overall performance of residual film recovery is affected resulting in reduction of recovery rate of residual film. Recovery rate of residual film is an important index of overall performance of roller type residual film recycling machine. From the process of picking plastic mulch film of arc reciprocating picking-up device, the effect of plastic mulch film collection and the rate of recovery of residual film are related to many factors. According to the structure and working principle of the roller type residual film recycling machine, in this study, the working mode of arc reciprocating picking-up device and the trajectory characteristics of film picking tooth were analyzed, Through the analysis, we determined the main factors affecting the performance of equipment, they were plastic mulch film pick up device rotational speed, the machine advance speed, and the embedded depth of film picking tooth. Orthogonal test was used to analyze and determine the main factors affecting the performance of machine. Taking film pick-up device rotational speed, the machine advance speed, and embedded depth of film picking tooth as the experimental factors, with residual film picking rate as test indexes, we determined the significance, priority, and order of factors and at the same time, analyzed the influence of each test factor on the change trend of recovery rate of residual film. The results showed that the optimum level combinations of selected parameters to obtain the best working conditions for the machine were 45 r/mine for the film pick up device rotational speed, 4 km/h for the machine advance speed, and 35 mm for the embedded depth of film picking tooth. With such this optimum working parameters, the equipment residual film collecting rate was 88.2%. The residual film recovery machine achieved design standards, and the residual film recovery rate was 6.2% higher than that of the current straw combined residual film recovery machine. The above research can provide data reference for the optimization design of residual film recycling machine in order to protect the farmland ecological environment.

agricultural machinery; plastic films; experiment; residual film collecting; arc plastic mulch film pick up device; rate of recovery of residual film

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.004

S223.5

A

1002-6819(2017)-16-0026-06

劉旋峰，石 鑫，郭兆峰，王春耀，王學農. 滾筒式殘膜回收機的性能試驗研究[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(16)：26 -31.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.004 http://www.tcsae.org

Liu Xuanfeng, Shi Xin, Guo Zhaofeng, Wang Chunyao, Wang Xuenong. Performance test on roller type residual film recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 26-31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.004 http://www.tcsae.org

2017-03-02

2017-07-10

新疆維吾爾自治區(qū)青年科學基金項目“殘膜回收機凸輪機構曲線優(yōu)化與試驗”（2014211B028）。

劉旋峰，男（漢族），新疆烏魯木齊人，助理研究員，主要從事農業(yè)機械化技術裝備研究。烏魯木齊 新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，830091。Email：52695694@qq.com.

※通信作者：王學農，男（漢），陜西漢中人，研究員，主要從事農業(yè)機械研究。烏魯木齊 新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，830091。

Email：xjwxn@xaas.ac.cn